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      灰葡萄孢菌AUR1基因真核表達(dá)載體的構(gòu)建、表達(dá)及酶活性分析

      2013-11-12 02:21:16邱永春劉小平茍萍
      生物工程學(xué)報(bào) 2013年1期
      關(guān)鍵詞:神經(jīng)酰胺孢菌磷脂

      邱永春,劉小平,茍萍

      新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046

      鞘脂是真核細(xì)胞膜的主要組成成分,是構(gòu)成脂質(zhì)雙分子層的重要亞結(jié)構(gòu),它在調(diào)節(jié)脂質(zhì)雙分子層膜的流動(dòng)性中起十分重要的作用。在過去二十年對(duì)鞘脂的研究中,發(fā)現(xiàn)鞘脂及其代謝產(chǎn)物在調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化、衰老和細(xì)胞的粘附和識(shí)別、膜運(yùn)輸和脂筏的形成等許多重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程有重要作用,進(jìn)而使細(xì)胞產(chǎn)生各種不同的生物學(xué)功能[1-5]。

      近年相繼在酵母等真菌、原生動(dòng)物和擬南芥中發(fā)現(xiàn)肌糖磷脂酰神經(jīng)酰胺 (IPC)合成酶,該酶是鞘脂合成代謝的關(guān)鍵酶[6]。酵母的IPC合成酶由AUR1基因編碼,從人類病原真菌白假絲酵母Candida albicans、光滑假絲酵母 Candida glabrata、克柔假絲酵母Candida krusei、近平滑假絲酵母 Candida parapsilosis、熱帶假絲酵母Candidatropicalis和新型隱球菌,一些曲霉屬絲狀真菌煙曲霉 Aspergillus fumigatus、構(gòu)巢曲霉Aspergillus nidulans、黑曲霉Aspergillus niger和米曲霉 Aspergillus oryzae,以及粟酒裂殖酵母Schizosaccharomyces pombe中分離得到AUR1類似基因,這些基因的序列很保守,具有IPC1p活性所需的共同結(jié)構(gòu)域,說明該基因的進(jìn)化是保守的[7-9]。AUR1表達(dá)和調(diào)控對(duì)真菌生長(zhǎng)和發(fā)育具有關(guān)鍵的作用,缺乏 IPC合成酶的酵母因不能合成復(fù)雜鞘脂類而死亡,而且導(dǎo)致神經(jīng)酰胺的積累[10]。神經(jīng)酰胺積累抑制細(xì)胞的生長(zhǎng),并通過阻止細(xì)胞周期引起細(xì)胞凋亡[11-12],這都表明IPC合成酶是真菌細(xì)胞生長(zhǎng)和存活所必需的。短梗霉素A (Aureobasidin A,AbA)是IPC合成酶的強(qiáng)烈抑制劑,真菌用AbA處理或真菌IPC合成酶基因表達(dá)抑制均導(dǎo)致細(xì)胞多重形態(tài)學(xué)細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)生理生化特性的改變,包括微管消失,微管蛋白降解,細(xì)胞出芽方式的改變,細(xì)胞循環(huán)的阻滯,幾丁質(zhì)的異常積累,細(xì)胞膜完整性的破壞,導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)的滲漏,最終細(xì)胞死亡[7,13-14]。本研究通過構(gòu)建灰葡萄孢菌肌糖磷脂酰神經(jīng)酰胺合成酶基因 (BcAUR1)的重組穿梭質(zhì)粒 pYES2-BcAUR1,轉(zhuǎn)化釀酒酵母脲嘧啶突變菌株Δyor1,為研究灰葡萄孢菌肌糖磷脂酰神經(jīng)酰胺合成酶的表達(dá)及其功能奠定基礎(chǔ)。

      1 材料與方法

      1.1 菌株與質(zhì)粒

      灰葡萄孢菌由浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院李紅葉教授實(shí)驗(yàn)室提供,大腸桿菌DH5α為本實(shí)驗(yàn)室保存,釀酒酵母Saccharomyces cerevisiae尿嘧啶突變菌株 Δyor1及pYES2穿梭載體購(gòu)自Invitrogen公司。

      1.2 主要試劑及培養(yǎng)基

      氨芐青素 (Amp) 購(gòu)自上海生工生物工程有限公司,RT-PCR試劑盒、限制性內(nèi)切酶BamHⅠ、XhoⅠ購(gòu)于 TaKaRa公司,ECL化發(fā)光試學(xué)劑盒(RPN2132)購(gòu)于 Amersham Biosciences公司,AbA、Tris、CHAPS、C6-NBD-Cer (6-[N-(7-nitro-2,1,3-benzoxadiazol-4-yl)amino]-hexanoyl ceramide,帶熒光標(biāo)記的底物)、PI (磷脂酰肌醇)、甲酸 (CH3COOH)和膠回收試劑盒均購(gòu)于北京鼎國(guó)昌盛生物技術(shù)有限責(zé)任公司,F(xiàn)LAG標(biāo)簽一抗、二抗為碧云天公司產(chǎn)品。

      營(yíng)養(yǎng)缺陷培養(yǎng)基 SC-U:無氨基酸酵母氮源(含硫酸銨)6.7 g,葡萄糖20 g,瓊脂粉20 g,營(yíng)養(yǎng)缺陷混合物2 g,加水至1 000 mL,0.1 MPa,121 ℃,濕熱滅菌20 min。

      誘導(dǎo)培養(yǎng)基:無氨基酸酵母氮源6.7 g,半乳糖20 g,瓊脂粉20 g,營(yíng)養(yǎng)缺陷混合物2 g,加水至1 000 mL,0.1 MPa,121 ℃,濕熱滅菌20 min。

      1.3 引物設(shè)計(jì)

      根據(jù)灰葡萄孢菌AUR1的cDNA序列設(shè)計(jì)合成含有 FLAG標(biāo)簽的引物,并在 F端加入BamHⅠ酶切位點(diǎn),在R端加入XhoⅠ酶切位點(diǎn)。引物由華大基因合成 (表1)。

      表1 文中所用的引物Table 1 Primers used in this study

      1.4 RT-PCR

      按試劑盒提取灰葡萄孢菌總 RNA (RNA提取試劑盒,鼎國(guó)昌盛生物技術(shù)有限責(zé)任公司),經(jīng)紫外分光光度法和凝膠電泳鑒定純度及濃度后,置-80 ℃?zhèn)溆?。? μL純化mRNA為模板,按反轉(zhuǎn)錄試劑盒 (TaKaRa公司的 RT-PCR試劑盒)說明書的方法合成 cDNA。利用以上引物和高保真DNA聚合酶對(duì)灰葡萄孢菌AUR1的cDNA序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增,反應(yīng)條件為:94 ℃預(yù)變性3 min;94 ℃變性 30 s,64 ℃退火 30 s,72 ℃延伸1 min,共35個(gè)循環(huán);72 ℃延伸10 min。PCR產(chǎn)物 (AUR1基因)用膠回收試劑盒進(jìn)行純化、回收,目的條帶連接到pMD18-T載體上,進(jìn)行測(cè)序。

      1.5 重組穿梭質(zhì)粒pYES2-BcAUR1的構(gòu)建

      BcAUR1和pYES2載體分別在37 ℃條件下用BamHⅠ和XhoⅠ雙酶切4 h,回收目的片段。BcAUR1和pYES2用T4 DNA連接酶在16 ℃連接過夜,載體構(gòu)建流程見圖 1。pYES2-BcAUR1轉(zhuǎn)化大腸桿菌 DH5α,挑取單菌落 (單克隆)擴(kuò)繁,用堿裂解法提取質(zhì)粒,并通過 PCR的方法驗(yàn)證,將陽(yáng)性克隆菌株的pYES2-BcAUR1質(zhì)粒進(jìn)行測(cè)序,經(jīng)驗(yàn)證BcAUR1沒有突變。

      1.6 醋酸鋰轉(zhuǎn)化酵母及誘導(dǎo)表達(dá)

      構(gòu)建好的pYES2-BcAUR1載體用醋酸鋰法[15]轉(zhuǎn)化釀酒酵母 Δyor1,在營(yíng)養(yǎng)缺陷SC-U培養(yǎng)基上進(jìn)行篩選,通過PCR和酶切的方法驗(yàn)證。

      圖1 pYES2-BcAUR1載體構(gòu)建圖譜Fig. 1 Map of construction of pYES2-BcAUR1 vector. BcAUR1’ indicates BcAUR1 with FLAG-tag.

      挑單克隆至20 mL SC-U培養(yǎng)基中,30 ℃振蕩孵育30 h,取5 mL提取mRNA,使用RT-PCR試劑盒 (TaKaRa公司)和正向引物F、反向引物R進(jìn)行 PCR檢測(cè),證明轉(zhuǎn)化后的酵母可以正常轉(zhuǎn)錄。將剩余菌液離心除去上清液,用誘導(dǎo)培養(yǎng)基將OD600調(diào)整到0.4,然后30 ℃振蕩孵育12 h,離心,將酵母轉(zhuǎn)化子轉(zhuǎn)到誘導(dǎo)培養(yǎng)基下誘導(dǎo)12 h,表達(dá)目的基因。

      1.7 微粒體的提取

      參照Burke等方法[16]進(jìn)行,取5 mL培養(yǎng)液在 4 ℃下 1 500×g 離心 5 min,棄上清。用 500 μL無菌水重懸細(xì)胞,離心,棄上清。用玻璃珠裂解法提取酵母的總蛋白,然后100 000×g超速離心1 h,棄上清,沉淀即為微粒體蛋白。

      1.8 Western blotting分析

      參照Mersich 和Jungbauer的方法[17]進(jìn)行,將微粒體重新溶解在分析緩沖液中,并進(jìn)行SDS-PAGE電泳,將蛋白質(zhì)電轉(zhuǎn)移到硝酸纖維素膜上,置于1%脫脂奶粉封閉緩沖液中,室溫封閉2 h。將封閉后的膜浸入1%脫脂奶粉緩沖液稀釋的一抗緩沖液中,室溫下緩慢搖動(dòng)1 h;洗膜4次后,將膜浸入用1%脫脂奶粉緩沖液稀釋的二抗中,室溫下緩慢搖動(dòng)1 h;洗膜4次后,用濾紙吸干膜表面。使用ECL試劑盒進(jìn)行顯色。

      1.9 IPC合成酶活性的測(cè)定

      IPC合成酶活性的測(cè)定參照 Zhong等[18]的方法進(jìn)行,以 50 mmol/L Tris-HCl (pH 7.0)、10 mmol/L EDTA、150 mmol/L NaCl、10%甘油和2 mmol/L CHAPS配制成反應(yīng)緩沖液;向反應(yīng)緩沖液中加入兩種底物 C6-NBD-Cer和 PI,C6-NBD-Cer的終濃度為0.1 mmol/L、PI終濃度為 2 mmol/L,最后加入微粒體終濃度為0.1 mg/mL。反應(yīng)混合液50 μL置于30 ℃水浴中30 min,加入10%的乙酸終止反應(yīng)。1 000×g離心3 min,取10 μL進(jìn)行HPLC。色譜條件:C18的反向色譜柱(25 cm×4.6 mm),熒光波長(zhǎng):λex=465 nm,λem=530 nm,流速 1 mL/min,洗脫梯度50% CH3CN-50% H2O (0.1%CH3COOH)到90% CH3CN-10% H2O (0.1% CH3COOH),然后用100% CH3CN洗柱10 min。以熒光底物C6-NBD-Cer的高效液相保留時(shí)間 (26 min)為對(duì)照,確定產(chǎn)物IPC的保留時(shí)間為17 min,根據(jù)生成IPC的產(chǎn)物峰面積計(jì)算IPC合成酶活力。

      1.10 AbA抗性的檢測(cè)

      空載 pYES2酵母轉(zhuǎn)化子和 pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子,在AbA濃度分別是0.002、0.005、0.02、0.05、0.2和 0.5 μg/mL的誘導(dǎo)培養(yǎng)基上30 ℃培養(yǎng)4 d,觀察菌落生長(zhǎng)情況并照相。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 AUR1基因的克隆和穿梭表達(dá)載體構(gòu)建

      從灰葡萄孢菌中提取總RNA,反轉(zhuǎn)錄cDNA后,利用含有FLAG標(biāo)簽以及BamHⅠ、XhoⅠ酶切位點(diǎn)的AUR1特異引物擴(kuò)增BcAUR1基因,得到1 000 bp左右的電泳條帶,該條帶與AUR1基因大小一致 (圖2),目的條帶連接到pMD18-T載體上,進(jìn)行測(cè)序。測(cè)序結(jié)果表明,灰葡萄孢菌AUR1 (BcAUR1)的cDNA序列與GenBank的序列比較有3個(gè)堿基發(fā)生變化,但它們未導(dǎo)致氨基酸改變?;移咸寻鶬PC合成酶基因由1 135個(gè)核苷酸構(gòu)成,其中117~231位核苷酸序列為115 bp的內(nèi)含子,IPC合成酶基因編碼339個(gè)氨基酸。將BcAUR1基因與穿梭質(zhì)粒pYES2重組,得到pYES2-BcAUR1轉(zhuǎn)化DH5α,挑取陽(yáng)性克隆菌株,提取 pYES2-BcAUR1質(zhì)粒進(jìn)行測(cè)序。經(jīng)驗(yàn)證BcAUR1沒有突變后,利用醋酸鋰轉(zhuǎn)化法將重組質(zhì)粒導(dǎo)入釀酒酵母Δyor1中,經(jīng)營(yíng)養(yǎng)缺陷培養(yǎng)基篩選,挑取單克隆進(jìn)行菌落 PCR和酶切鑒定,得到3個(gè)pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子。

      圖2 AUR1基因的擴(kuò)增結(jié)果Fig. 2 Amplification of the gene AUR1. M: DNA marker. 1?2: BcAUR1.

      2.2 pYES2-BcAUR1誘導(dǎo)表達(dá)和 Western blotting鑒定

      空載 pYES2酵母轉(zhuǎn)化子和 3個(gè) pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子在半乳糖培養(yǎng)基上進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá),RT-PCR結(jié)果表明空載pYES2酵母轉(zhuǎn)化子不表達(dá),3個(gè) pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子均有BcAUR1基因表達(dá),說明BcAUR1基因在轉(zhuǎn)錄水平表達(dá)。Western blotting檢測(cè)結(jié)果也顯示空載pYES2酵母轉(zhuǎn)化子不表達(dá) BcAUR1蛋白(AUR1p),而3個(gè)pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子有BcAUR1蛋白表達(dá),并且BcAUR1蛋白均呈現(xiàn)兩條帶,推測(cè)可能分子量小的是未修飾的AUR1p,分子量大的是修飾后的AUR1p (圖3)。

      2.3 AbA對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響

      圖4 在不同ABA濃度下酵母轉(zhuǎn)化子的生長(zhǎng)情況Fig. 4 The growing state of the yeast transformants under different concentrations of AbA. A?F: the different concetrtion of AbA 0.002, 0.005, 0.02, 0.05, 0.2, 0.5 μg/mL respectively. 1?2: the yeast transformants without BcAUR1.3?4: the yeast transformants 1 with pYES2-BcAUR1. 5?6: the yeast transformants 2 with pYES2-BcAUR1. 7?8: the yeast transformants 3 with pYES2-BcAUR1.

      空載 pYES2酵母轉(zhuǎn)化子和 3個(gè) pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子,在不同AbA濃度的誘導(dǎo)培養(yǎng)基上培養(yǎng) (圖4),當(dāng)AbA濃度達(dá)到0.05 μg/mL,空載pYES2酵母轉(zhuǎn)化子不能生長(zhǎng),而3個(gè)pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子均能生長(zhǎng)。當(dāng) AbA濃度為0.2 μg/mL時(shí),只有pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子3能夠生長(zhǎng),pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子1和2不能生長(zhǎng)。該結(jié)果說明AbA濃度為0.05 μg/mL可抑制酵母生長(zhǎng)。3個(gè)pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子的AbA抗性高于空載pYES2酵母轉(zhuǎn)化子,并且pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子3抗性較強(qiáng),這是由于灰葡萄孢菌的 AUR1基因在酵母中表達(dá)導(dǎo)致了對(duì)AbA抵抗。

      2.4 IPC合成酶活性測(cè)定

      以C6-NBD-Cer (熒光的底物)和PI (磷脂酰肌醇)為底物,加入微粒體 (含IPC合成酶),用高效液相層析熒光光譜檢測(cè)熒光產(chǎn)物IPC的量,根據(jù)生成 IPC的產(chǎn)物峰面積計(jì)算 IPC合成酶活力。通過測(cè)定空載 pYES2酵母轉(zhuǎn)化子和 3個(gè)pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子的IPC合成酶活性,表明3個(gè)pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子IPC合成酶活性高于空載pYES2酵母轉(zhuǎn)化子 (表2),證實(shí)了灰葡萄孢菌的 AUR1基因在酵母中表達(dá),pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子3酶活性最高,它的 AbA抗性較強(qiáng),這與上述 pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子3在較高AbA濃度下仍能生長(zhǎng)結(jié)果一致。

      表2 IPC合成酶活性測(cè)定Table 2 Determination of IPC synthase activity

      3 討論

      肌糖磷脂酰神經(jīng)酰胺 (IPC)合成酶催化鞘脂合成代謝的一個(gè)重要反應(yīng),即催化神經(jīng)酰胺和磷脂酰肌醇生成肌糖磷脂酰神經(jīng)酰胺,在此基礎(chǔ)上肌糖磷脂酰神經(jīng)酰胺進(jìn)一步形成鞘脂類物質(zhì),這些物質(zhì)廣泛參與多種生理過程如細(xì)胞的生長(zhǎng)、凋亡、分化、衰老等過程。酵母的IPC合成酶是由 401個(gè)氨基酸組成的疏水蛋白 (AUR1p或IPC1p),包含幾個(gè)跨膜域和至少一個(gè)糖基化位點(diǎn)[9]。其他真菌如構(gòu)巢曲霉的IPC合成酶具有與酵母相似的特點(diǎn)和性質(zhì)[9,13],目前對(duì)灰葡萄孢菌IPC合成酶的研究較少,本研究首次在釀酒酵母中表達(dá)了灰葡萄孢菌 AUR1基因 (BcAUR1)和IPC1p。Western blotting分析結(jié)果顯示灰葡萄孢菌的IPC1p有兩條帶,這可能是由于IPC合成酶糖基化修飾所致[13],因?yàn)榧?xì)胞中翻譯和修飾不同步,先合成的AUR1p經(jīng)加工過程被糖基化,而剛合成出來的AUR1p還未經(jīng)糖基化修飾。

      AbA是一種環(huán)九肽抗生素[19],對(duì)白假絲酵母 Candida albicans、新型隱球菌 Cryptococcus neoformans、曲霉Aspergillus等病原真菌都有很強(qiáng)的殺菌作用[20]。AbA的殺菌作用很可能是先被細(xì)胞吸收,抑制IPC合成酶的活性,使神經(jīng)酰胺到肌糖磷脂酰神經(jīng)酰胺的合成受阻,導(dǎo)致鞘磷脂類物質(zhì)的合成量不足,細(xì)胞膜產(chǎn)生斷裂,造成細(xì)胞內(nèi)的糖原泄露[21]。已有研究表明 AbA是真菌IPC合成酶的非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑,AbA可通過抑制IPC合成酶抑制真菌生長(zhǎng)[18]。我們的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了AbA能抑制真菌生長(zhǎng),低濃度的AbA能抑制空載 pYES2酵母轉(zhuǎn)化子,但不影響 pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子的生長(zhǎng),并且酵母轉(zhuǎn)化子的平均酶活力高于空載 pYES2酵母轉(zhuǎn)化子,也說明IPC合成酶的高表達(dá)能夠抵消抑制劑AbA的作用。這是由于抑制劑的濃度不變時(shí),增加酶活力,減輕了抑制劑對(duì)酶抑制,因此真菌生長(zhǎng)不受影響。pYES2-BcAUR1酵母轉(zhuǎn)化子3在AbA濃度高于空載pYES2酵母轉(zhuǎn)化子4倍時(shí)仍能生長(zhǎng),而且酶活力在3個(gè)轉(zhuǎn)化子中最高,進(jìn)一步證實(shí)了IPC合成酶活力增加能抵抗AbA對(duì)真菌生長(zhǎng)的抑制。

      本研究在酵母中成功表達(dá)了灰葡萄孢菌肌糖磷脂酰神經(jīng)酰胺合成酶,并且對(duì) AbA影響菌體生長(zhǎng)和酶活性進(jìn)行了初步分析,這對(duì)于進(jìn)一步研究灰葡萄孢菌肌糖磷脂酰神經(jīng)酰胺合成酶結(jié)構(gòu)與功能具有十分重要的意義。

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